научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОПОКРЫТИЙ НАПЫЛЕННЫХ НА ВНУТРЕННИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ ИМПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ОСАЖДЕНИЕМ Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОПОКРЫТИЙ НАПЫЛЕННЫХ НА ВНУТРЕННИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ ИМПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ОСАЖДЕНИЕМ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2010, № 6, с. 88-91

УДК 621.793.14

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОПОКРЫТИЙ НАПЫЛЕННЫХ НА ВНУТРЕННИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ ИМПУЛЬСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ОСАЖДЕНИЕМ © 2010 г. А. А. Лозован, С. В. Франгулов, Д. В. Чулков

ГОУВПО "МАТИ" — Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского, Москва, Россия Поступила в редакцию 14.10.2009 г.

Обсуждаются проблемы нанесения многослойных нанопокрытий методом импульсного лазерного осаждения на внутренние поверхности труб малого диаметра. Исследованы состав и структура покрытий, показано значительное перемешивание атомов, принадлежащих разным слоям.

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, нанесение покрытий на внутренние поверхности полостей различной формы (в том числе труб) остается по-прежнему одной из самых сложных задач технологии модифицирования поверхности ионно-плазменными методами. Для нанесения покрытий на внутренние поверхности труб малого диаметра по своим возможностям практически не имеет альтернативы метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО). Метод позволяет очень точно управлять толщиной покрытия, производить напыление при низкой температуре подложки, получать нанокристалличе-ские и аморфные пленки с хорошей структурой.

В работе [1] данный метод, реализованный на специальном лазерном стенде, применялся для нанесения однокомпонентных покрытий на внутренние поверхности труб малого диаметра. Модернизация этого стенда, представленная в [2], позволила получать многослойные покрытия.

В последнее время ведутся интенсивные исследования в области создания новых наноструктур-ных твердых и супертвердых покрытий, отличающиеся высокой износостойкостью и устойчивостью к окислению. Эти покрытия по своей структуре обычно подразделяют на 2 класса — многослойные покрытия, состоящие из двух различных слоев (металлов, карбидов или оксидов и их комбинаций) с толщиной бислоя двух материалов в диапазоне от 5 до 10 нм, и нанокомпозитные покрытия, представляющие собой структуры с размером зерен порядка 10 нм или меньше [3].

Для многослойных нанопокрытий ряд исследований [4, 5] считает одним из условий получения максимальной твердости покрытия наличие резких границ между слоями, диффузионное размытие которых определяется особенностями технологического процесса. Специфика процесса массопереноса при осаждении многослойных на-

нопокрытий на внутренние поверхности труб малого диаметра методом ИЛО требует исследования их состава и структуры. Решению этой задачи посвящена данная работа.

АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА

Как показано в [2], вследствие направленности осаждаемого потока частиц от конической мишени под углом с нормалью к поверхности подложки (рис. 1) и углового распределения частиц лазерного факела, различные участки поверхности трубы подвергаются воздействию потока разной плотности, а также энергии и зарядового состояния частиц, что может оказать существенное влияние на структуру покрытия. Ясно, что приведенное описание процесса весьма приближенно, так как наличие близкой к плазменному факелу стенки трубы существенно исказит картину процесса по сравнению со свободным разлетом плазмы в вакуум.

Рис. 1. Геометрия процесса напыления: I — лазерный луч; 1 — труба; 2 — мишень.

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОПОКРЫТИЙ

89

Для углового распределения точечного источника в виде /(9 ) = cosp9 профиль распределения пленки по толщине можно описать выражением d(9 ) = cos P + 39, где 9 — угол между нормалью к поверхности мишени и направлением вылета частицы:. Тогда с учетом конусности мишени и при условии перемещения точки вылета плазмы А на ось трубы в точку В продольное распределение осаждаемых атомов можно приближенно определить как d(9 ) ~ cos 9м cos P + 39. В нашем случае угол 9м = 45°. Однако процессы массопереноса, обсуждаемые ниже, внесут существенный вклад в процесс формирования покрытий.

Разлет частиц лазерного факела имеет довольно широкое угловое распределение. В этом случае угол падения атомов на поверхность трубы, отсчитываемый от нормали к ней, меняется в диапазоне от 0 до почти 90°. При переносе атомов и ионов из плазмы лазерного факела на внутреннюю поверхность трубы происходит как их осаждение, так и отражение и распыление поверхности, что обусловлено (при относительно невысокой энергии атомарных частиц — от десятков до сотен элек-тронвольт) наклонным, в основном, падением их на поверхность и угловой зависимостью коэффициента распыления ^(9o) и коэффициента отражения R(90). При этом происходит переосаждение основной части распыленных и отраженных атомов на поверхность трубы.

Совместное действие процессов осаждения, распыления и отражения атомных частиц должно привести к существенному перемешиванию атомов на границе между слоями и при нанесении тонких слоев граница между ними может быть размыта. Поэтому была проведена экспериментальная проверка этого предположения.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Многослойные покрытия на внутреннюю поверхность трубы с внутренним диаметром 13.5 мм и длиной 300 мм наносили методом ИЛО на лазерном стенде [2]. После полировки и химической очистки поверхности трубы помещали в рабочую камеру и откачивали до давления Р = 5 х 10-4 Па. Затем производили очистку внутренней поверхности трубы тлеющим разрядом по схеме разряда с полым катодом при неполном заполнении катодной полости плазмой [2]. Напыление многослойных покрытий Ti/Al, Ti/Nb и др. проводили в следующем режиме работы лазера: длина волны X = 1.06 мкм; максимальная энергия в импульсе W = 1 Дж; длительность импульса тл = 13 нс; частота следования импульсов / = 15 Гц; расходимость луча у = 3 мрад. Луч лазера через окно вводился в рабочую камеру и сканировался по поверхности конической мишени, расположенной внутри продольно перемещающейся трубы. При этом толщи-

В

о «

Я

я

се

1.0 г

0.8

0.6

& 0.4

я

о Я Я

о

а

0.2

0 1.0

0.8

(а)

..............O

---Al

-Ti

----Cr

----Fe

____Г"

§°-6 я

а &

н я

(U

я я

о

а

0.4

0.2 1

200 400 600 Глубина, 10-15 ат./см2 (б)

800

...............O

---Al

-Ti

----Cr

........Fe

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Глубина, 10-15 ат./см2

Рис. 2. Распределение элементов по глубине покрытий Ti/Al — образцы А (а) и Б (б).

ну слоев для разных материалов меняли от единиц до десятков нанометров.

Распределение химического состава по глубине покрытий определяли с помощью метода резер-фордовского обратного рассеяния (РОР). Исследование проводили на электростатическом ускорителе ЭГ-8 НИИЯФ МГУ с использованием пучка ионов гелия с энергией 1.9 МэВ. Спектры РОР обрабатывались с помощью программы RUMP. Толщина модельных дискретных слоев составляла 1015 ат./см2.

Исследование химического и фазового состава приповерхностных слоев покрытий осуществляли с помощью метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на установке XSAM-800 при энергетическом разрешении 1 эВ, возбуждающем излучении MgK„ с энергией E = 1253.6 эВ при остаточном давлении в камере P = 5—10-7 Па. Размер исследуемой области — 2 мм.

Так как РФЭС позволяет анализировать только поверхность и тонкий приповерхностный слой, то после анализа приповерхностного слоя образца производилось травление его поверхности пучком

90

ЛОЗОВАН и др.

(а)

(б)

д. 1500

е

н. н 1250

о

А Н с 1000

О

н в 750

и

с н е 500

н

к 250

470 465 460 455 Энергия связи, эВ

450

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

0

O1s

мин

- J V ^4 мин

i \ ^Ъ мин

- / мин

- J у 1 мин

- ДД

- íJA г ^ \\

537.5 535.0 532.5 530.0 Энергия связи, эВ

800 -

ед 700

н

н о

А Н

с

О

н в и с н е

н

н

К

600 500 400 300 200 100

527.5

6 мин 4 мин 3 мин 2 мин 1 мин

н

н о

А Н

с

О

н в и с н е

н

н

К

д

е н.

н о

А Н

с

О

н в и с н е

н

н

К

1250 1000 750 500 250

0

1500 1250 1000 750 500 250 0

400

350 300 250 200 150 100 50

470 465 460 455 Энергия связи, эВ

Ti2p

6 мин 5 мин

4 мин 3 мин 2 мин 1 мин

450

5 мин

6 мин

2 мин

3 мин

4 мин 1 мин

537.5 535.0 532.5 530.0 527.5 Энергия связи, эВ

Al2p

2 мин

3 мин

4 мин 6 мин

5 мин 1 мин

82.5 80.0 77.5 75.0 72.5 Энергия связи, эВ

70.0

82.5 80.0 77.5 75.0 72.5 Энергия связи, эВ

70.0

Рис. 3. РФЭ-спектры покрытий Ti/Al: а — покрытие А; б — покрытие Б. Время травления указано на рисунках.

0

ионов Аг+ с энергией Е = 2.5 кэВ при плотности тока у = 0.4 мкА/мм2, после чего анализировался следующий, более глубокого слой, и так далее. При помощи РФЭ-спектров определяли как содержание элементов в слое, так и их химическую связь с другими элементами этого слоя.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 даны полученные в результате обработки спектров РОР распределения элементов по

глубине двух типов покрытий И/А1: покрытие А содержит по пять слоев Т и А1 с толщиной одного слоя Т ~ 6 нм, А1 ~ 9 нм; покрытие Б — трехслойное, толщина слоев Т и А1 равняется примерно 30 нм. Первым напыляли слой титана.

В покрытии А распределение концентраций титана и алюминия практически идентично, что говорит о полном перемешивании слоев. Общая толщина покрытия 55 нм. В покрытии Б обнаружено начальное выделение слоев. Перемешивание атомов покрытия с атомами подложки заметно лишь на на-

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОПОКРЫТИЙ

91

чальной стадии его формирования. Общая толщина покрытия 80 нм. В обоих покрытиях выявлено значительное содержание кислорода.

Полученные кривые распределения характерны и для других составов покрытий. Так, в покрытиях Ti/Nb также присутствует много кислорода, и имеет место полное перемешивание слоев при их малой толщине. Следует отметить для покрытия Ti/Nb наличие более интенсивного перемешивания атомов покрытия с подложкой по сравнению с Ti/Al.

Полученные результаты показывают, что при нанесении очень тонких слоев — порядка нескольких нанометров — происходит их интенсивное перемешивание. С увеличением толщины одного слоя каждого материала постепенно начинает формироваться слоистая структура, но все же взаимное проникновение атомов из слоя в слой остается значительным.

Кроме того, высокая концентрация кислорода в пов

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком